Учебный прибор по электричеству "униполярная машина фарадея"

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для демонстрации явления униполярной электромагнитной индукции. Технический результат состоит в повышении генерируемой ЭДС и стабильности электрических и магнитных параметров. Учебный прибор содержит вертикально ориентированный постоянный магнит, гальванометр, соединенный с корпусом центробежной машины и со скользящим контактом. Постоянный магнит выполнен в виде цилиндрического комбинированного магнита, составленного из двух одинаковых ферритовых магнитов кольцеобразной формы и несущего железного диска между ними с выступающей за боковую поверхность кромкой. Несущий железный диск насажен на вал из немагнитного металла с хвостовиком на одном конце для установки в патрон центробежной машины. Скользящий контакт находится в соприкосновении с выступающей боковой кромкой несущего железного диска. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение, и преимущественная область его использования.

Изобретение относится к учебным приборам по электричеству, а более конкретно - к демонстрационным приборам по электромагнетизму, предназначенным для показа явления электромагнитной индукции.

Характеристика аналогов изобретения.

Известны униполярные машины для преобразования механической энергии в энергию постоянного электрического тока, действие которых основывается на явлении униполярной индукции. Основополагающей классической считается "униполярная машина Фарадея", называемая так потому, что действующим началом в ней является только "один" из полюсов вращаемого постоянного магнита.

"Униполярная машина Фарадея" представляет длинный цилиндрический постоянный магнит, погруженный наполовину в узкий металлический сосуд с ртутью, верхний его полюс включен в электрическую цепь с гальванометром при помощи двух ртутных скользящих контактов, причем первый из них касается торца магнита в осевой точке, а вторым служит непосредственно ртуть в сосуде. При сообщении магниту вращательного движения вокруг оси посредством обернутой вокруг него веревки в электрической цепи обнаруживается постоянный электрический ток (см. опыт 220 в книге: Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. Т.1. Изд-во АН СССР, 1947. С.94-95).

Эксперимент с данным генератором относится к числу фундаментальных и потому является предметом обсуждений и ссылок в теоретической и учебно-методической литературе по электричеству (см., например, Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1966. С.549-550; Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1985. С.299-300; Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Электродинамика. - М.: Изд. центр "Академия", 2002. С.244-245; Каменецкий С.Е., Пустильник И.Г. Электродинамика в курсе физики средней школы. - М.: Просвещение, 1977. С.85-86). Однако в вузовском и школьном демонстрационном эксперименте "униполярная машина Фарадея" показывается крайне редко, поскольку данный прибор промышленностью не выпускается.

Характеристика прототипа, выбранного заявителем.

Известна также модель униполярного генератора, используемая для демонстрации униполярной индукции в школе (см. книгу: Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Ч.1. Механика, молекулярная физика, основы электродинамики. Под. ред. А.А. Покровского. - М.: Просвещение, 1978. С.316-317).

Прибор представляет два или один прямой вертикально установленный магнит прямоугольного сечения с надетым на него медным кольцом, расположенным посередине, конец магнита закреплен в обойме из металлической трубки с металлическим донышком, имеющим в центре отверстие с резьбой под конический стержень от дисковой сирены. Магнит, установленный в патроне центробежной машины, вращается вокруг своей оси. В замкнутой цепи между медным кольцом и коническим стержнем циркулирует постоянный электрический ток, который обнаруживается гальванометром.

Критика прототипа.

Используемый в этом приборе прямой стальной магнит из стандартного школьного набора имеет не самые лучшие магнитные характеристики, к тому же его намагниченность быстро ухудшается. Поэтому величина генерируемой ЭДС оказывается столь малой, что для ее регистрации требуется особо чувствительный гальванометр от демонстрационного вольтметра. Электрические параметры прибора зависят от состояния задействованного конкретного магнита, и из-за наличии фактора его нестабильности положительный результат опыта не всегда гарантирован.

Цель изобретения.

Целью настоящего изобретения является создание учебного прибора по электричеству для демонстрации явления униполярной индукции, физически адекватного классической "униполярной машине Фарадея", обладающего стабильными электрическими и магнитными характеристиками и обеспечивающего большую величину генерируемой ЭДС.

Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном приборе, моделирующем "униполярную машину Фарадея", имеющем вертикально сориентированный прямой стальной магнит прямоугольного сечения с надетым на него медным кольцом, расположенным посередине, закрепленный нижним концом в металлической трубке, сочлененной соосно с коническим стержнем от дисковой сирены, применен цилиндрический комбинированный магнит, составленный из двух одинаковых ферритовых магнитов кольцеобразной формы и несущего железного диска между ними, с выступающей на боковую поверхность кромкой, при этом диск насажен на вал из немагнитного металла с хвостовиком, совместимым с патроном центробежной машины.

Введение ферромагнитного железного диска между ферритовыми магнитами, обращенными друг к другу разноименными магнитными полюсами, приводит к нейтрализации противоположных магнитных зарядов (масс) на поверхностях контактирующих с ним торцов магнитов, обеспечивая тем самым требуемую экспериментом нейтральную проводящую линию магнита, а так как диск связан с проходящим через него валом не только механически, а также - электрически, то внутри комбинированного магнита, составленного из магнитодиэлектриков, получается геометрически однозначно заданный проводящий контур, необходимый для обеспечения работоспособности униполярного генератора.

Перечень чертежей.

На чертеже изображен общий вид учебного прибора по электричеству в разрезе.

Примеры конкретного выполнения.

Учебный прибор по электричеству содержит несущий железный диск 1 с отверстием, через которое проходит вал 2, и прилегающие к нему торцами кольцевые ферритовые магниты 3 и 4.

Вал представляет собой цилиндрический стержень из немагнитного металла, например латуни, с винтовой резьбой на одном конце и хвостовиком - на другом, предназначенным для его установки в патрон центробежной машины. Концентричное расположение магнитов друг другу и на валу обеспечивают вставляемые в их сквозные отверстия цилиндрические втулки из непроводящего материала (пластмассы или дерева); они являются продолжениями цилиндрических насадок к магнитам-полюсам, которые необходимы для увеличения видимых размеров "магнита" демонстрируемого прибора.

Крепление диска 1 на валу 2 и плотное его прилегание к магниту 3 обеспечивает гайка 5; винт 6 является завершающим элементом сборки прибора.

Учебный прибор рассчитан на совместное использование с центробежной машиной и гальванометром от демонстрационного вольтметра, при этом шкала стрелочного индикатора-милливольтметра оказывается "задействованной" практически полностью, поскольку величина ЭДС достигает 6-7 мВ. Гальванометр соединяют с прибором двумя проводниками: один из них - с корпусом центробежной машины, а другой, с зачищенной от изоляции концевой частью, используется непосредственно в качестве скользящего контакта, приводимого в соприкосновение с кромкой железного диска.

Демонстрационный опыт с учебным прибором проводят следующим образом. Одной рукой при помощи центробежной машины приводят магнит во вращение, и одновременно зачищенным концом провода от гальванометра, находящимся в другой руке, касаются выступающей кромки на боковой поверхности магнита. Гальванометр показывает наличие постоянного электрического тока без пульсаций, причем его величина оказывается прямо пропорциональной частоте вращения магнита. При изменении направления вращения знак эффекта меняется на противоположный.

Использование комбинированного магнита, составленного из ферритовых магнитов на основе гексаферрита бария, характеризуемого высокими значениями магнитных параметров, а также их стабильностью, позволило создать учебный прибор, выгодно отличающийся от прототипа прежде всего большей величиной генерируемой ЭДС, причем свойства прибора как электрического генератора с течением времени не претерпевают изменений.

Прибор имеет небольшие габариты и массу и удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к оборудованию учебного эксперимента. В нем "налицо" все главные особенности классической "униполярной машины Фарадея", которую он являет учащимся при показе соответствующего фундаментального опыта по электродинамике, и именно поэтому он потенциально востребован как в вузовском, так и в школьном физическом эксперименте.

Учебный прибор по электричеству, содержащий вертикально ориентированный постоянный магнит, гальванометр, соединенный с корпусом центробежной машины и со скользящим контактом, отличающийся тем, что постоянный магнит выполнен в виде цилиндрического комбинированного магнита, составленного из двух одинаковых ферритовых магнитов кольцеобразной формы и несущего железного диска между ними с выступающей за боковую поверхность кромкой, при этом несущий железный диск насажен на вал из немагнитного металла с хвостовиком на одном конце для установки в патрон центробежной машины, а скользящий контакт находится в соприкосновении с выступающей боковой кромкой несущего железного диска.